Cách nay 40 năm, hai nhóm nghiên cứu khác nhau đã công bố khám phá cùng một hạt mới và đã định nghĩa lại cách các nhà vật lí nhìn về vũ trụ.
- Amanda Solliday (Symmetry Magazine, tháng 11/2014)
Vào ngày 11 tháng 11, 1974, các thành viên thuộc nhóm vật lí năng lượng cao Cornell đã có thể dành khoảng thời gian nghỉ giữa bữa trưa của họ để tán gẫu về chuyện xảy ra sau khi tổng thống Nixon từ chức hay mùa giải hockey Big Red sắp diễn ra.
Nhưng vào ngày thứ hai đặc biệt đó, đề tài nhạy cảm nhất lại liên quan đến vật lí. Một trong các nhà nghiên cứu trong hàng ghế cử tọa đã đứng dậy báo cáo rằng hai phòng thí nghiệm ở hai bờ đất nước sắp công bố một nội dung giống nhau: khám phá một hạt mới báo trước sự ra đời của Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt cơ bản.
“Chẳng ai tại buổi gặp mặt biết rõ nó là cái quái gì,” phát biểu của nhà vật lí Kenneth Lane thuộc trường Đại học Boston, một nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ tại Cornell. Lane, cùng với nhiều người khác, sẽ dành vài năm tiếp sau đó mô tả lí thuyết và những hệ quả của hạt mới này.
Ting và Richter. Ảnh minh họa của Sandbox Studio, Chicago
Một khám phá xuất hiện buộc người ta phải đánh giá lại cách thức thế giới vận hành chẳng phải mới xảy ra một hai lần. Chuyện hiếm xảy ra hơn là hai nhóm nghiên cứu thực hiện cùng một khám phá đồng thời, sử dụng phương pháp khác hẳn nhau.
Một công bố đến từ một nhóm nghiên cứu đứng đầu bởi nhà vật lí MIT Sam Ting tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở New York. Công bố kia đến từ một đội đứng đầu bởi nhà vật lí Burton Richter tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC, khi ấy được gọi là Trung tâm Máy gia tốc thẳng Stanford, ở California. Tin tức lan truyền nhanh chóng.
“Chúng tôi bắt đầu có mọi loại thẩm vấn và chúc tụng thậm chí trước khi chúng tôi viết xong bài báo,” Richter nói. “Người này kể cho người kia, rồi người kia kể cho người khác nữa.”
Ting gọi hạt mới là hạt J. Richter gọi nó là psi. Vì thế người ta gọi nó là J/psi, khám phá làm khởi xướng Cách mạng Tháng 11.
Những câu hỏi về quark
Một cách độc lập nhau, các nhà nghiên cứu tại Brookhaven và SLAC đã thiết kế hai thí nghiệm có tính bổ sung cho nhau.
Ting và đội của ông thực hiện khám phá bằng một máy proton, bắn một chùm hạt cường độ cao vào một tấm bia cố định. Ting quan tâm làm thế nào các photon, hay hạt ánh sáng, biến thành các photon nặng, những hạt có khối lượng, và ông muốn biết có bao nhiêu loại photon nặng tồn tại trong tự nhiên. Vì thế đội của ông – gồm 13 nhà khoa học đến từ MIT cùng với sự giúp đỡ của các nhà nghiên cứu tại Brookhaven – đã thiết kế và chế tạo một máy dò hạt sẽ chấp nhận một ngưỡng rộng khối lượng photon nặng.
“Thí nghiệm khá khó khăn,” Ting nói. “Tôi đoán rằng khi anh còn trẻ thì anh can đảm hơn bây giờ.”
Vào đầu mùa hè năm 1974, họ bắt đầu thí nghiệm với một khối lượng cao, chừng 4 đến 5 tỉ electron-volt. Họ chẳng nhìn thấy gì. Sau đó, họ hạ thấp khối lượng và sớm nhìn thấy một cực đại gần 3 tỉ electron-volt cho biết một tỉ lệ sinh cao của một hạt chưa biết trước đó.
Tại SLAC, Richter chế tạo một loại máy va chạm mới, Vòng Bất đối xứng Positron Electron Stanford (SPEAR). Nhóm nghiên cứu của ông sử dụng một chùm electron được tạo ra bởi một máy gia tốc thẳng và trữ các hạt trong một vòng tròn được lập bởi các nam châm. Sau đó, họ tạo ra các positron trong một máy gia tốc thẳng và bắn chúng theo chiều ngược lại. Máy dò hạt của họ có thể nhìn thấy mọi thứ được tạo ra trong các va chạm electron-positron.
Mục tiêu là xác định khối lượng của những hạt sơ cấp chưa biết, nhưng các nhà nghiên cứu lại nhìn thấy những hiệu ứng lạ vào mùa hè năm 1974. Họ khảo sát vùng đặc biệt đó với độ phân giải cao hơn, và vào cuối tuần lễ 9-10 tháng 11, họ phát hiện một cực đại năng lượng cao, mảnh ở khoảng 3 tỉ electron-volt.
Lúc ấy, Ting đến thăm SLAC với vai trò thành viên của một ủy ban cố vấn. Giám đốc phòng thí nghiệm, Pief Panofsky, đã yêu cầu Richter đến gặp ông.
“Ông gọi tôi đến và nói, ‘Tôi nghe nói các anh đã tìm thấy cái giống như vậy,” Richter kể.
Cả hai nhóm nghiên cứu gửi kết quả của họ đến tạp chí Physical Review Letters. Hai bài báo của họ được công bố trên cùng một số báo. Các phòng thí nghiệm khác nhanh chóng lặp lại thí nghiệm và xác nhận các kết quả.
Ting và Richter. Ảnh: SLAC
Một mô hình mới
Lúc bấy giờ, những mảnh ghép cơ bản của Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt cơ bản ngày nay đang rơi vào bế tắc. Chỉ một thập kỉ trước đó, nó đã phỏng lại bảng tuần hoàn các nguyên tố, bao gồm một tập hợp rộng và bướng bỉnh những loại hạt khác nhau gọi là hadron.
Các nhà lí thuyết Murray Gell-Mann và George Zweig là những người đầu tiên đề xuất rằng mọi loại hadron khác nhau đó thật ra được cấu tạo bởi những viên gạch cấu trúc giống nhau, gọi tên là quark. Mô hình này bao gồm ba loại quark: lên (up), xuống (down) và lạ (strange). Các nhà lí thuyết khác – Sheldon Lee Glashow, James Bjorken, và sau đó còn có thêm John Iliopoulos và Luciano Maiani – đề xuất sự tồn tại một quark thứ tư.
Vào cái ngày công bố hạt J/psi, các nhà nghiên cứu Cornell bàn tán về các kết quả cho đến tận cuối chiều. Một trong các giáo sư trong khoa, Ken Wilson, đã đưa ra một liên hệ giữa khám phá mới và một seminar vào mùa thu trước đó của Tom Appelquist, một nhà vật lí tại trường Đại học Harvard. Appelquist lúc ấy đang hợp tác với đồng nghiệp David Politzer để mô tả cái họ gọi là “charmonium”, một trạng thái liên kết của một loại quark và phản quark mới.
“Chỉ vài người trong số chúng tôi suy nghĩ về ý tưởng một quark thứ tư,” Appelquist nói, ông hiện là giáo sư tại Yale. “Ken đã gọi cho tôi ngay sau công bố khám phá và thúc tôi gửi bài báo của chúng tôi cho ASAP.”
Tin tức J/psi đã truyền cảm hứng cho nhiều nhà lí thuyết khác nhặt phấn lên làm việc tiếp.
“Cái rõ ràng từ ngày hôm đó là J/psi là một khám phá trọng yếu,” Appelquist nói. “Nó hầu như hoàn toàn định hướng lại cộng đồng làm lí thuyết. Mọi người đều muốn nghĩ về nó.”
Chưa tới hai tuần sau khám phá ban đầu, nhóm của Richter còn tìm thấy hạt psi-hoàn hảo, một họ hàng của J/psi thể hiện những vết rạn còn nghiêm trọng hơn nữa trong mô hình ba quark.
“Có cả một tập hợp những khả năng của cái có thể tồn tại bên ngoài mô hình hiện nay, và người ta đang tranh luận xem đó có thể là cái gì,” Richter nói. “Thí nghiệm của chúng tôi đã dọn sạch cỏ dại.”
Kết quả của các đội J/psi đã khơi ngòi cho những chiến dịch bổ sung tìm kiếm những hạt sơ cấp chưa biết, những khảo sát sẽ làm sáng tỏ diện mạo cuối cùng của Mô hình Chuẩn. Vào năm 1976, hai người đứng đầu các thí nghiệm trên được trao giải Nobel cho thành tựu của họ.
Năm 1977, các nhà khoa học tại Fermilab khám phá quark thứ năm, quark đáy (bottom). Năm 1995, họ khám phá quark thứ sáu, quark đỉnh (top).
Ngày nay, các nhà lí thuyết và các chuyên gia thực nghiệm vẫn đang nỗ lực trả lời các câu hỏi không thể giải thích được bởi mô hình đang thống trị hiện nay. Siêu đối xứng có tồn tại hay không? Vật chất tối là gì và năng lượng tối là gì? Những hạt gì vẫn chưa được khám phá?
“Nếu người ta tìm thấy câu trả lời, thì nó sẽ đưa chúng tôi tiến sâu hơn nữa vào cái chúng tôi được ủng hộ để làm với tư cách nhà vật lí năng lượng cao,” Lane nói. “Nhưng có khả năng thứ ánh sáng vinh quang ấy chưa lóe lên vào một chiều thứ hai nào đó.”
Nguồn: Symmetry Magazine
